箱式钢结构集成建筑教学楼功能模块产品探索

文 /黄铁平 刘剑斌 杨绍华 周晓璐 朱 亮 吴宣达

摘要：本文针对箱式钢结构集成建筑在学校建筑中的应用进行探索。该体系从产品化思维的角度，采取 DFMA（面向制造和装配的设计）一体化全流程设计和智能制造的方式，实现高品质学校教学楼建筑建造。实现“两提两减”（提高质量、提高效率、降低消耗、降低成本）和“快、好、省”的目标，进一步促进模块化建筑在学校建筑中的高质量应用。

关键词：箱式钢结构集成模块建筑；教学楼功能模块产品；快速建造

紧跟深圳市“十四五”战略和《深圳市智能建造试点城市建设工作方案》，以智能建造试点城市建设为契机，推广信息化、模数化、集成化、工业化的智能建造方式。

箱式钢结构集成模块是由钢结构主体结构、箱壁板、箱底板、箱顶板、内装部品、设备管线等集成的具有建筑使用功能的箱式空间体。箱式钢结构集成建筑是以箱式钢结构集成模块为主，在施工现场组合而成的装配式建筑。

以国家战略为指导，聚焦于当前具体的普遍性问题，选定教育领域着力，从产品化的角度，解决当前普遍存在的城市学位紧张的痛点。通过对学校教学楼标准产品的研究，以及 DFMA（面向制造和装配的设计）一体化全流程设计和智能制造的方式，提供一种能快速部署、绿色环保、对环境干扰少、高品质的学校建设解决方案。

教学楼基本功能和使用特点相对统一，具备标准化的模块产品输入、多样化的建筑形式输出的可行性。箱式钢结构集成建筑教学楼功能模块产品的研究是建筑技术产业升级实现“小切口、大突破”的契机。

2.1 教学楼的主要功能平面分析

2.2 标准模块化教学楼产品研究

基于面向制造与装配的设计（DFMA）：结合制造业的现状（工业基础）、运输条件、组合多样化等方面因素，从理论分析结果中选择匹配的产品标准模数。

2.2.1 教学楼产品建筑专业研究内容

教室的长度和宽度是影响空间布局和视觉效果的关键因素。依据 GB 50099-2011《中小学校设计规范》，座位按 6 行和 8 列（4 组）排布，小学教室净尺寸 7.8×8.3m，座位按 6 行和 8 列（5 组）排布，小学教室尺寸 7.5×8.3m。

综合规范要求、实际需求、教学功能拓展、产品制造、运输、标准化、模数等因素考虑，普通教室尺寸为 9×9m, 走道为 9×3m。根据模块产品特性，可形成三种模块结构形式。

（横排方案          横竖方案          竖排方案）

建筑专业从模块三维尺度、模块数量、模块种类、各部位拼箱缝数量、各部位拼箱缝长度、窗立面长度、走道立面长度、外立面变化自由度等因素分析，综合结论为竖排方案为推荐方案。

结构专业从整体结构布置、主要构件类型及数量、含钢量、节点数量、节点类型数量、连接盒类型及数量、安装精度要求、功能种类、安装难度、吊装难度及次数、结构连接位置等因素分析，综合结论为竖排方案为推荐方案。

MEP 从走廊内外立管数、排水地漏数、地面开洞数、走廊排水沟长度、横管拼接长度、模块种类、穿梁套管数、消火栓安装自由度、灯具数量、风扇数量、插座数量、开关数量、电缆长度、布局合理性、外走廊布局合理性、灯光控制合理性、黑板及照明灯具布置、室内机数量、冷凝水立管数量、外墙套管数量、水平方向冷媒管长度、水平方向冷凝管长度、排水难易程度、模块种类、气流组织密封性( 漏风 )、装配率等因素分析，综合结论为竖排方案为推荐方案。

A. 按模块尺寸分类：3.0m×（9.0m+3.0m）×3.9m(宽×长×高)，4.2m×（9.0m+3.0m）×3.9m(宽×长×高)。B. 按模块功能分类：普通教室、机动课室、专业教室、教学辅助用房、任课老师办公室、卫生间、架空活动交流区和电梯、走廊、楼梯间等。C. 按模块拼接数量分类：单模块产品、双拼模块产品、三拼模块产品、四拼模块产品。

根据中小学办学规模和班额配置主要包括 18 班、24 班、30班、36 班、48 班，进行整体教学楼的组合设计。组合设计理念：模块产品 -主轴连廊 -树里空间 -互动校园。

依据规模需求、功能组合、疏散要求等，组合成标准层平面，再由相同标准层组合成楼栋。各楼栋组合形成互动的教学楼空间。教学楼标准层：2 个单模块楼梯 +4 个三拼模块教室 +2 个单模块卫生间 +1 个双拼模块任课教师办公室 +1 个双拼模块教学辅助用房产品 +1 个三拼模块机动教室 +1 个三拼模块活动交流区 +1 个四拼模块专业教室 +2 个单模块走廊（共 32 个模块）。一个四层楼栋可形成 12~16 班的教学楼，两个四层楼栋可形成18、24、30班的教学楼，三个四层楼栋可形成 36、48班的教学楼。

此产品丰富的教学空间形态，组团内部可形成各种场景化空间，组团外可形成多个广场，增强体验、交流与互动。主轴连廊的树里空间、高效而灵活的互动场景，满足未来学习中心场景，全面推动素质教育发展，提升学生的核心素养，为教学硬件提供磐石的基础。

（教学楼标准层）

教室采光外立面、教室走廊立面、走廊外立面、教室山墙立面及建筑第五立面，均以基本模块单元（9.0m+3.0m）×3.0m×3.9m（长 × 宽 × 高）的模数为立面标准化单元的模数划分依据，创新研究了一种安装在模块上的幕墙系统，统一幕墙单元的大小，单元尺寸为 3.0m（宽）×3.9m（高）。考虑模块结构连接位置及封堵，定制模块产品水平缝和垂直缝的拆分原则。

2.2.2 教学建筑产品结构专业研究内容

采用叠箱结构体系，主体结构梁、柱等受力构件均在工厂生产预制、焊接，形成单元模块的梁柱组合空间六面体。

竖向构件：结构柱均采用钢材、均为预制构件；主体水平构件：结构梁均采用钢材、均为预制构件；楼板 -模块部分采用水泥纤维板或者蒸压加气混凝土板材，均为预制构件。

根据 T/CECS 641-2019《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》等规范的相关规定，对钢结构模块进行整体组装计算，结合制造和施工工艺，计算模型中模块与模块间的连接节点采用铰接模型。

项目模块与模块间的连接节点主要包括单柱双梁、双柱双梁、四柱双梁节点形式。项目模块内梁柱连接采用连接盒的节点形式，现场模块组装，模块间采用高强度螺栓现场拼装。如下面的连接示意图所示：

（单柱双梁           双柱双梁            四柱双梁）

2.2.3 教学建筑产品集成化、标准化的装修及机电设计

标准化的装饰性天花，在工厂完成；其天花装饰性做法保持统一；室内、走廊均采用模块化的天花做法，便于工厂制作、现场安装、更换，以及现场拼缝的处理。

标准化的内隔墙、走廊隔墙做法，在工厂完成；采用自带饰面的集成化工业墙板，安装、拆卸、更换都很方便；无论是教室还是办公等其他功能模块，其内隔墙的做法保持统一。

标准化的地面做法，除拼缝处外，均在工厂完成；采用自锁型石塑地板或 PVC 地胶。走廊、卫生间等湿区采取防滑地砖地面。

结构体系、外维护体系、装饰装修体系、机电体系，各体系均采取标准化的设计。

除因不同功能空间的家具布置、照明、强弱电末端点位等的不同外，均采取标准化的设计，涵盖部品部件、机电设备等，以六面体的空间标准化为基准，全系统的制造、安装、拼接等的做法保持统一。

A. 机电装修一体化。

B. 主体结构和管线分离做法。

采用箱式钢结构集成建筑教学楼功能模块产品教学楼，对提升工程质量、推进科技创新与技术进步产生较好的作用和影响，实现建筑“两提两减”（提高质量、提高效率、降低消耗、降低成本）和“快、好、省”的目标，进一步促进模块化建筑在学校建筑中的高质量发展，并且在社会、经济和环境等方面取得较好的综合效益。随着建筑技术的不断发展，箱式钢结构集成建筑作为一种新型的建筑形式，正逐渐受到广泛关注。随着建筑技术的不断创新，箱式钢结构集成建筑的设计、施工和管理水平也在不断提高。箱式钢结构集成建筑教学楼产品通过技术创新和推广应用，可以进一步提高箱式钢结构建筑在教学楼建设中的市场份额。（作者单位：黄铁平、刘剑斌、杨绍华，深圳市中集建筑设计院有限公司；周晓璐、朱亮、吴宣达；深圳市建设科技促进中心）